지난 7월 4일 수요일, 세계에서 가장 큰 원자 충돌기에서 연구 중인 물리학자들은 힉스 보존일 수도 있는 새롭고 무거운 보존 입자를 발견한 것에 99% 이상 확신한다고 공표했다.

* 힉스가 아니라 '힉스같은' 입자를 발견했다고 했다. 신뢰도는 5 시그마이니 거의 100%지만 100%는 아니다. 그러니 99% 이상이라고 하는 것이 정확한 표현이다.

스위스 제네바 LHC(거대 강입자 충돌기)의 두 실험실에서는 이 새로운 입자가 약 125 제브(GeV)의 질량을 갖는다고 밝혔다. 1 제브란 대략 양성자의 질량에 해당한다. LHC는 지구상에서 가장 강력한 장비로, 스위스와 프랑스 국경 지하에 설치된 17 마일(27 킬로미터)의 거대한 고리 내부에서 엄청난 에너지 폭발로부터 새롭고 이색적인 입자들을 생성할 수 있다. [새로운 입자는 힉스 보존일 가능성이 높다.]

만약 이 발견이 힉스 보존으로 최종 확인되면, 매우 넓은 분야에 영향을 줄 것이며, 다음은 그 중 5가지이다.

1. 질량의 기원

오랫동안 힉스 보존은 질량의 기원에 대한 미스터리를 해결할 열쇠라고 생각되어졌다. 힉스 보존에도 장(場)이 연관되는데, 이를 힉스장(-場)이라고 부르며, 우주에 만연한 것으로 이론화되었다. 수영장에서 수영하는 사람이 물에 젖듯이 입자들이 힉스장을 움직이면 질량을 얻게 된다고 생각했다. 따라서 힉스 메커니즘이 없다면 모든 것에는 질량이 없었을 것이다.

만일 물리학자들이 이번에 새로 발견된 기본 입자가 정말로 힉스 보존이라고 확인한다면, 이는 힉스 메커니즘에 의해서 입자가 질량을 얻게 된다는 것도 맞는다는 것을 확인하는 셈이다. 칼텍의 물리학 교수이자 CMS 실험 공동 리더인 마리아 스피로풀루(Maria Spiropulu)는 "이번 발견은 양자 수준에서 질량이 어떻게 발생했는지에 대한 지식과 관련되며, LHC를 건설한 이유가 된다."고 말했다.

2. 표준모델

표준모델은 입자물리학에서 지배적인 이론이다. 그리고 표준모델에서 예측된 모든 입자가 발견되었는데, 단 하나, 힉스 보존만은 발견되지 않았다.

CERN ATLAS 실험실 연구원 조나스 스트란드버그(Jonas Strandberg)는 "힉스 보존은 표준모델에서 발견하지 못한 조각으로 표준모델이 옳다는 것을 확실하게 확인시켜 줄 입자"라고 말한다. 만일 새로 검출된 입자가 힉스 보존이 아닌 것으로 판명되면 물리학자들이 설정한 가정이 틀렸음을 의미할 것이며, 그들은 다시 그림을 그려야 한다.

힉스 보존의 발견은 표준모델을 완성하고 모델에서 현재 예측된 모든 것을 만족시키지만, 표준모델 자체는 완전하다고 생각되지 않는다. 예를 들면, 표준모델은 중력을 포함하지 않으며, 우주의 모든 물질의 98%를 이루는 암흑물질을 고려하지 않고 있다.

CERN의 물리학자 윌리엄 머레이(William Murray)에 따르면 표준모델은 우리가 측정한 것을 설명하지만 표준모델 안에는 중력도 없고 암흑물질도 없으며, 따라서 더 많은 것을 포함시키기 위해 표준모델을 확장하기를 바라고 있다고 한다. 그는 ATLAS 실험실의 '힉스' 의장이자 영국 과학기술시설자문위원이다.

3. 약한 전기력

힉스 보존의 존재를 확인한다면 우주의 두 가지 기본적 힘이 어떻게 통합될지도 설명할 것이다. 그 두 가지 힘이란 대전된 입자간의 상호작용을 주관하는 전자기력과 방사성 붕괴에 간여하는 약한 핵력이다.

자연계의 모든 힘에는 대응되는 입자가 있다. 전자기력에 연계된 입자는 광자로, 작고 질량이 없는 입자이다. 약한 핵력은 W 및 Z 보존이라 불리는 입자들이 연계되는데, 이들은 매우 질량이 크다.

힉스 메커니즘은 약한 핵력에 간여한다고 생각되었다.

힉스장을 도입하면 W 및 Z 보존들이 힉스장에 섞이며 그 과정에서 질량을 얻는다고 한다. 이로써 W 및 Z 보존이 질량을 얻는 이유가 되며 또한 전자기력과 약한 핵력을 약한 전기력으로 통합한다.

4. 초대칭

힉스 발견으로 영향을 받는 또 다른 이론은 초대칭 이론이다. 이 아이디어는 우리에게 알려진 모든 입자에 '슈퍼짝'(superpartner) 입자가 있다는 것이다.

초대칭 이론이 매력적인 것은 자연계의 다른 힘들을 통합하기 때문이며, 암흑물질을 구성하는 입자의 후보를 제공한다. 새로 발견된 입자는 저에너지 범위, 즉, 125.3 제브 정도로 무언가 초대칭 이론에 신빙성을 주고 있다. (슈퍼짝이 있을수 있다는 의미이다.)

만일 힉스 보존이 작은 질량대에서 발견되면, 질량이 큰 슈퍼짝 입자가 있을 수 있고, 초대칭을 가능한 이론으로 만들어 줄 수 있다. 스트란드버그는 그러나 초대칭이 존재함을 증명해 내야 한다고 말한다.

* 작은 질량이란 곧 작은 에너지란 뜻이다. 125.3 제브는 작은 에너지는 아니지만, 슈퍼짝은 이보다 훨씬 질량이 크다.

5. LHC 존립의 타당성

LHC는 세계 최대의 입자 가속기이다. CERN(유럽원자핵공동연구소)에서 약 100억 달러를 들여 지구상에서 여태껏 도달해 보지 못한 높은 에너지 영역을 조사하고자 건설했다. 힉스 보존의 발견은 LHC의 가장 큰 목표 중의 하나였다.

따라서 힉스의 발견은 LHC와 수년 동안 그곳에서 연구를 지속한 과학자들에게 커다란 보람 내지는 존립의 타당성을 제공할 것이다.

스피로풀루는 이번 발견이 양자 수준에서 질량이 어떻게 나타났는지와 관련되며, LHC를 건설한 이유가 되는 비할 데 없는 업적이라고 한다. 과학자들이 한 세대 이상 이 순간을 기다려왔으며, 전 세계의 대학과 연구소의 입자물리학자, 공학자, 그리고 기술자들이 수십 년 동안 오늘의 중요한 분기점에 도달하기 위해 연구를 지속해 왔다고 한다.

힉스의 발견은 또한 지난 1964년 힉스 메커니즘을 처음으로 제안했던 과학자 피터 힉스에게 중요한 영향을 줄 것이다. LHC의 CMS 실험실 힉스 연구 리더인 캘리포니아 대학 샌디에고 캠퍼스 물리학자 비벡 샤르마(Vivek Sharma)는 힉스 입자가 최종 확인되면 여러 사람에게 노벨상이 돌아갈 것이라고 한다.